연구원들은 '재료의 새로운 개척'인 열성형 세라믹을 개발했습니다.

Oct 06, 2023

2022년 10월 7일

노스이스턴대학교 이안 톰슨(Ian Thomsen)

그것은 과학의 행복한 우연 중 하나였습니다. 북동부 교수 Randall Erb 및 Ph.D. 학생 Jason Bice는 대학 고객을 위한 제품을 작업하고 있었는데 완전히 새로운 종류의 재료로 마무리되었습니다.

복잡한 부품으로 압축 성형할 수 있는 올-세라믹의 발견(업계 혁신)은 휴대폰 및 기타 무선 부품을 포함한 열 방출 전자 제품의 설계 및 구성을 변화시킬 수 있습니다.

Northeastern의 DAPS 연구소를 이끌고 있는 기계 및 산업 공학 부교수인 Erb는 "우리 연구 그룹의 삶은 기술의 최첨단에 위치해 있습니다."라고 말합니다. "상황이 많이 망가지고, 가끔 그런 망가짐 중 하나가 행운이 되기도 합니다."

지난 7월 Erb는 Bice와 함께 북동부 연구실에 있었습니다. Bice는 이후 기계 공학 박사 학위를 취득했습니다. 그들은 산업 파트너를 위한 극초음속 프로젝트의 일환으로 실험적인 세라믹 화합물을 테스트하고 있을 때 뭔가 잘못된 것으로 나타났습니다.

Erb는 "토치로 폭발시켰는데, 로드하는 동안 예기치 않게 변형되어 고정 장치에서 떨어졌습니다."라고 말했습니다. "우리는 그것이 실패라고 생각하면서 바닥에 있는 샘플을 살펴보았습니다."

면밀한 조사를 통해 밝혀진 사실이 밝혀졌습니다.

"우리는 그것이 완벽하게 손상되지 않았다는 것을 깨달았습니다"라고 Erb는 말했습니다. "그냥 모양이 달랐을 뿐이야."

세라믹은 극심한 열 변화와 기계적 부하를 받을 때 열충격으로 인해 부서지거나 심지어 폭발하는 경향이 있습니다. 그러나 그들의 샘플은 우아하게 변형되었습니다.

"우리는 그것을 몇 번 더 시도했고 변형을 제어할 수 있다는 것을 깨달았습니다."라고 Erb는 말합니다. "그리고 나서 우리는 재료를 압축 성형하기 시작했고 그것이 매우 빠른 공정이라는 것을 발견했습니다."

기본 미세 구조 덕분에 올-세라믹은 성형 공정 중에 열과 흐름을 효과적으로 빠르게 전달하고 효과적으로 흐르게 됩니다. 세라믹은 절묘한 기하학적 구조로 형성될 수 있으며 실온에서 인상적인 기계적 강도와 열 전도성을 나타낸다고 최근 Advanced Materials에 발표된 Erb는 말했습니다.

Erb와 Bice는 200년 전 도자기의 열 흐름을 연구한 프랑스 수학자 Joseph Fourier의 이름을 딴 그들의 스타트업인 Fourier LLC를 통해 제품을 개발하고 있습니다. Fourier는 Northeastern의 연구 혁신 센터로부터 $50,000의 Spark Fund 상을 받았습니다.

"그것은 독특합니다. 우리가 보고 읽은 바에 따르면 열성형 세라믹은 실제로 존재하지 않습니다."라고 Bice는 말합니다. "그래서 그것은 재료의 새로운 개척지입니다."

신제품은 고밀도 전자제품을 냉각할 수 있는 열 전도체로서의 효율성을 시작으로 두 가지 산업 개선을 가져올 가능성이 있습니다.

일반적으로 휴대폰과 기타 전자 제품에는 장치에서 열을 빼내는 데 필요한 부피가 큰 알루미늄 층이 장착되어 있습니다.

"우리 재료는 두께가 1밀리미터 미만이므로 로우 프로파일 솔루션을 제공합니다"라고 Bice는 말합니다. "냉각하려는 표면에 맞게 성형할 수 있습니다."

음성 결정 기반 세라믹은 전자 수송 없이 열이 흐를 수 있게 해준다고 Erb는 말합니다. 휴대폰 및 기타 시스템의 무선 주파수(RF)를 방해하지 않습니다.

Erb는 "알루미늄 방열판을 RF 구성 요소에 넣으면 기본적으로 RF 신호와 상호 작용하는 일련의 안테나가 도입되는 것입니다."라고 말합니다. "대신에 우리는 질화붕소 기반 재료를 RF 부품 내부와 주변에 배치할 수 있으며 이는 본질적으로 RF 신호에 보이지 않습니다."

Erb는 또 다른 개선점은 전기 부품에 직접적으로 형태를 맞출 수 있다는 점이라고 말합니다. Fourier에서 세라믹 연구원이자 R&D 엔지니어로 근무하고 있는 Northeastern의 5학년 기계공학 학생인 Echo St. Germain은 덩어리진 슬러리에 제조 공정에서 일반적인 진동을 가하여 세라믹의 비뉴턴적 거동을 보여주었습니다. ; 그것은 즉각적으로 물질의 구조를 액화시키고 조직화시켰다. 이러한 슬러리는 성형 가능한 세라믹을 생산하는 데 사용됩니다.